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出版者:四川电子音像出版中心

作者:陈学韶

出品人:

页数:132

译者:

出版时间:2003-1-1

价格:12.00

装帧:平装（带盘）

isbn号码:9787900371119

丛书系列:

图书标签:

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《代码的低语：深入解析现代操作系统内核》 内容简介 在信息时代的浪潮中，我们日常所依赖的每一个数字操作——从发送电子邮件到运行复杂的科学模拟——都建立在一个复杂而精妙的基石之上：操作系统内核。本书《代码的低语：深入解析现代操作系统内核》旨在揭开这层神秘的面纱，带领读者穿梭于硬件与用户空间之间的无形边界，系统地剖析当代主流操作系统（重点聚焦于类Unix系统如Linux，并辅以Windows NT内核的关键概念）的核心机制与设计哲学。 第一部分：内核的基石——架构与启动 本书的第一部分奠定了理解内核的基础。我们将从计算机体系结构的视角切入，详细探讨内存管理单元（MMU）、中断控制器、缓存一致性协议等硬件组件如何与软件内核协同工作。 1.1 引导过程的奥秘：从固件到内核态 启动序列是操作系统“苏醒”的魔法时刻。我们将详尽解析BIOS/UEFI的角色，Bootloader（如GRUB）如何接管控制权，以及它如何将内核映像从存储介质加载到内存中。随后，深入内核初始化流程，包括页表的建立、时钟源的配置以及第一个用户进程（`init`或`systemd`）的诞生。 1.2 内核的组织结构：单体、微内核与混合内核的权衡 内核的设计哲学决定了系统的性能和稳定性。我们将对比分析单体内核（Monolithic Kernel）的设计优点与潜在的复杂性，探讨微内核（Microkernel）如何通过分离服务实现更高的模块化和安全性，并分析现代主流系统采纳的混合内核（Hybrid Kernel）模式，解释其在实际应用中的性能调优策略。 1.3 核心数据结构与上下文切换 理解内核，就是理解其管理资源的数据结构。本书将详细剖析任务控制块（TCB）、进程描述符、虚拟文件系统（VFS）的结构。核心章节将聚焦于上下文切换（Context Switching）的硬件与软件协同机制，解释CPU寄存器状态的保存与恢复过程，以及这种切换如何在并发和效率之间取得平衡。 第二部分：资源调度的艺术——进程、线程与时间 进程与线程是并发执行的基本单位。本部分将深入探讨内核如何公平且高效地分配宝贵的CPU时间。 2.1 进程生命周期与调度策略 我们将详述进程的状态转换（新建、就绪、运行、阻塞、终止）及其背后的系统调用接口。重点剖析进程调度算法：从经典的轮转法（Round-Robin）到优先级驱动的调度，再到Linux中高度优化的完全公平调度器（CFS）的设计思想，包括其虚拟运行时间（vruntime）的概念。此外，我们还将探讨实时调度（Real-Time Scheduling）的需求和实现，例如POSIX实时扩展。 2.2 线程模型与同步原语 理解用户级线程与内核级线程的区别至关重要。我们将分析内核如何管理轻量级进程（LWP），以及用户态线程库（如pthreads）如何与内核调度器交互。同步机制是并发编程的生命线，我们将对互斥锁（Mutexes）、信号量（Semaphores）、条件变量（Condition Variables）以及更高级的同步工具（如屏障Barrier）进行代码级的解析，揭示它们在内核中如何避免死锁与竞态条件。 第三部分：内存的魔术——虚拟化与保护 内存管理是操作系统最复杂也最关键的部分，它负责隔离进程，并提供比物理内存更大的抽象空间。 3.1 虚拟内存的构建 本书将详细拆解分页（Paging）机制，从二级页表到多级页表（如四级或五级页表）的演进。我们将解释TLB（Translation Lookaside Buffer）的作用、缓存失效（TLB Miss）的处理流程，以及页表项（PTE）中的重要标志位（如Present, Dirty, Accessed）。 3.2 内存分配与回收 内核需要高效地管理物理内存（Page Frame Allocator）。我们将分析伙伴系统（Buddy System）的内存分配算法，以及slab/slub/slob分配器如何高效地为内核对象分配小块内存，减少内部碎片。 3.3 缺页异常处理与内存交换 当进程访问的虚拟地址不在物理内存中时，会触发缺页异常（Page Fault）。我们将跟踪从硬件陷阱到内核处理程序的全过程，包括如何定位文件数据或通过交换分区（Swap Space）调入数据。对缓存（Cache）与内存映射（mmap）的深入讨论，将揭示零拷贝（Zero-Copy）等高性能I/O技术的原理。 第四部分：I/O的桥梁——设备驱动与文件系统 操作系统是连接用户程序与外部设备的桥梁。本部分聚焦于I/O子系统的设计。 4.1 中断处理与延迟 I/O操作由硬件通过中断通知内核。我们将分析中断描述符表（IDT），并区分上半部（Top Half，快速处理中断上下文）和下半部（Bottom Half，推迟执行的任务，如软中断、Tasklets/Workqueues）的设计，以最小化中断延迟。 4.2 设备驱动模型 我们将探讨现代内核如何通过总线（如PCIe）发现和管理设备。分析字符设备、块设备和网络设备驱动程序的基本框架和I/O流程，理解DMA（Direct Memory Access）如何绕过CPU提高数据传输效率。 4.3 文件系统的结构与实现 文件系统是持久化存储的逻辑视图。本书将系统性地解析超级块（Superblock）、索引节点（Inode）和数据块的组织方式。通过对Ext4或XFS等主流文件系统的结构分析，理解数据如何在磁盘上被定位、写入和维护一致性。我们将深入探讨VFS层如何提供统一的API接口，屏蔽不同底层文件系统的差异。 第五部分：安全与隔离——内核的防线 现代内核必须具备强大的安全隔离能力，以保护系统免受恶意代码或错误配置的影响。 5.1 用户态与内核态的界限 详细解释保护环（Protection Rings）的概念，以及系统调用（Syscall）机制如何作为用户空间访问内核功能的唯一受控入口。分析系统调用栈的建立、参数验证以及权限检查过程。 5.2 安全增强模块 我们将探讨现代内核集成的高级安全特性，如地址空间布局随机化（ASLR）的实现原理，数据执行保护（DEP/NX bit）如何阻止代码在数据段执行，以及安全模块（如SELinux或AppArmor）如何实施基于强制访问控制（MAC）的安全策略。 结论 《代码的低语》不仅是一本关于操作系统的参考书，更是一次对工程艺术的深度探寻。通过拆解这些核心组件，读者将获得构建、调试和优化高性能、高可靠性系统的必备知识，真正理解计算机世界底层逻辑的精妙与强大。 --- 目标读者： 系统程序员、嵌入式开发工程师、计算机科学专业学生以及所有希望从根本上理解其运行环境的资深技术人员。 所需前置知识： 扎实的C语言基础，对汇编语言有基本认识，理解计算机体系结构的基本概念。

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